JP7168139B1 - 軸受装置の状態の検出方法、検出装置、およびプログラム - Google Patents
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Abstract
Description
前記複数のころ、前記第1および第2の部材から構成される電気回路に交流電圧を印加し、
前記交流電圧の印加時の前記電気回路のインピーダンスおよび位相角を測定し、
前記インピーダンスおよび前記位相角に基づき、前記第1の部材と前記複数のころの間、または、前記前記第2の部材と前記複数のころの間の少なくとも一つにおける油膜厚さおよび金属接触割合を導出し、
前記油膜厚さおよび前記金属接触割合は、前記軸受装置内にて発生するころと、前記第1および前記第2の部材の少なくとも一方との間に生じる線接触により構成される電気回路に対応する算出式を用いて導出されることを特徴とする検出方法。
前記複数のころ、前記第1および第2の部材から構成される電気回路に交流電圧を印加させた際に得られる前記交流電圧の印加時の前記電気回路のインピーダンスおよび位相角を取得する取得手段と、
前記インピーダンスおよび前記位相角に基づき、前記第1の部材と前記複数のころの間、または、前記第2の部材と前記複数のころの間の少なくとも一つにおける油膜厚さおよび金属接触割合を導出する導出手段と、
を有し、
前記導出手段は、前記油膜厚さおよび前記金属接触割合を、前記軸受装置内にて発生するころと、前記第1および第2の部材の少なくとも一方との間に生じる線接触により構成される電気回路に対応する算出式を用いて導出することを特徴とする検出装置。
軸受装置に対し、前記軸受装置を構成する複数のころ、および前記複数のころの転動面を構成する第1および第2の部材から構成される電気回路に交流電圧を印加させた際に得られる前記交流電圧の印加時の前記電気回路のインピーダンスおよび位相角を取得する取得手段、
前記インピーダンスおよび前記位相角に基づき、前記第1の部材と前記複数のころの間、または、前記第2の部材と前記複数のころの間の少なくとも一つにおける油膜厚さおよび金属接触割合を導出する導出手段、
として機能させ、
前記導出手段は、前記油膜厚さおよび前記金属接触割合を、前記軸受装置内にて発生するころと、前記第1および第2の部材の少なくとも一方との間に生じる線接触により構成される電気回路に対応する算出式を用いて導出することを特徴とするプログラム。
以下、本願発明の第1の実施形態について説明を行う。なお、以下の装置構成の説明においては、スラスト形の針状ころ軸受を例に挙げて説明するが、これに限定するものではなく本願発明は他の構成の軸受にも適用可能である。例えば、転動体(針状、円すい状、円筒状)などにより線接触が発生し得るラジアル形およびスラスト形の円錐や円筒ころ軸受や、クロスローラーガイドなどの線接触が発生し得るしゅう動部品などが挙げられる。
図1は、本実施形態に係る診断装置1にて診断を行う際の全体構成の一例を示す概略構成図である。図1には、本実施形態に係る診断方法が適用される軸受装置2と、診断を行う診断装置1が設けられる。なお、図1に示す構成は一例であり、軸受装置2の構成などに応じて、異なる構成が用いられてよい。また、図1においては、軸受装置2は、1の転がり軸受を備える構成を示したが、これに限定するものではなく、1の軸受装置2に複数の転がり軸受が備えられてもよい。
図2を用いて軸受装置2における転動体5と軌道盤3(または、軌道盤4)の接触状態について説明する。図2は、ローラ片とレース片とが接触(ここでは、線接触)した際の物理モデルを示すグラフである。ローラ片が転動体5(ころ)に対応し、レース片が軌道盤3(または、軌道盤4)に対応する。h軸は、油膜厚さ方向を示し、y軸は油膜厚さ方向と直交する方向を示す。また、図2に示す各変数はそれぞれ以下の通りである。なお、以降の説明において用いる各式の変数は同じものは同じ記号を付して対応付けている。
a:ローラ片(ころ)の短手方向(ここでは、x軸方向)における接触幅
α:油膜の破断率(金属接触割合)(0≦α<1)
r:ローラ片の半径
αS:実接触領域(油膜の破断領域)
h:油膜厚さ
h1:Hertzian接触域における油膜厚さ
O:ローラ片の回転中心
h=f(x)=h1+√(r2-a2)-√(r2-x2) (-r≦x<-a、または、a<x≦r) …(1)
ha=(1-α)h1 …(2)
厳密にはその断面が正円形状とはならないが、本実施形態では、正円形状であるものとして上記の式(1)を用いている。したがって、油膜厚さを求める際に用いられる式は式(1)に限定するものではなく、他の算出式を用いてもよい(例えば、歯車の場合,インボリュート曲線)。
図3は、図2に示した物理モデルを電気的に等価な電気回路(等価回路)にて示した図である。等価回路E1は、抵抗R1、コンデンサC1、およびコンデンサC2から構成される。抵抗R1は、破断領域(=αS)における抵抗に相当する。コンデンサC1は、Hertzian接触域における油膜により形成されるコンデンサに相当し、静電容量C1とする。コンデンサC2は、Hertzian接触域の周辺(図2の-r≦x<-a、および、a<x≦r)における油膜により形成されるコンデンサに相当し、静電容量C2とする。Hertzian接触域(=S)が、図3の等価回路E1における抵抗R1とコンデンサC1の並列回路を形成する。更に、この抵抗R1とコンデンサC1から構成される電気回路に対して、コンデンサC2が並列に接続される。このとき、Hertzian接触域の周辺(図2の-r≦x<-a、および、a<x≦r)では、潤滑剤が充填されているものとする。
V=|V|exp(jωt) …(3)
I=|I|exp(j(ωt-θ)) …(4)
Z=V/I=|V/I|exp(jθ)=|Z|exp(jθ) …(5)
j:虚数
ω:交流電圧の角周波数
t:時間
θ:位相角(電圧と電流の位相のずれ)
Z-1=R1 -1+jω(C1+C2) …(6)
R1:抵抗R1の抵抗値
C1:コンデンサC1の静電容量
C2:コンデンサC2の静電容量
|Z|:動的接触状態におけるインピーダンス
R1=|Z|/cosθ …(7)
ω(C1+C2)=-sinθ/|Z| …(8)
R1=R10/α …(9)
R10:静止時(すなわち、α=1)における抵抗値
R10=|Z0|/cosθ0 …(10)
|Z0|:静的接触状態におけるインピーダンス
θ0:静的接触状態における位相角
ここで、点接触におけるC2について説明する。図5は、転動体が玉である場合(例えば、玉軸受)を説明するための図である。ここでは、説明を容易にするためにh1の値を大きく示しているが、実際には、図2に示したように、接触(この場合は点接触)が生じる程度に小さいものとなる。この場合、転動体と軌道盤との間にて、点接触が生じ得る。図2と同様に、転動体の半径をrとし、油膜厚さをh1とした場合、図3に示した等価回路におけるコンデンサC2の静電容量は以下の式(14)にて算出できる。
r:玉の半径
ε:潤滑剤の誘電率
ln:対数関数
接触(この場合は線接触)が生じる程度に小さいものとなる。この場合、転動体と軌道盤との間にて、線接触が生じ得る。図2と同様に、転動体の半径をrとし、油膜厚さをh1とした場合、図3に示した等価回路におけるコンデンサC2の静電容量は、上記の式(13)にて示した式にて算出できる。
本実施形態では、上述したような潤滑剤の油膜厚さh1および油膜の破断率αを用いて潤滑状態を検出する。上述した式(8)、式(11)~式(13)により、以下の式(16)が導出される。
n:転動体の数
L:転動体(ころ)の長さ
次に、本実施形態に係る算出式を用いて検証を行った結果を示す。ここでは、スラスト針状ころ軸受を用いて行った検証について説明する。図8A~図8Dは、本実施形態に係る方法による、各種データの検証結果を示す図である。図8Aにおいて、横軸は時間t[s]を示し、縦軸は油膜厚さhを示す。本例では、平均油膜厚さhaに相当する。図8Bにおいて、横軸は時間t[s]を示し、縦軸は破断率αを示す。図8Cにおいて、横軸は時間t[s]を示し、縦軸は温度T[℃]を示す。図8Dにおいて、横軸は時間t[s]を示し、縦軸はトルクM[N・m]を示す。各図において、横軸の時間は軸受が回転を開始してからの経過時間を示しており、それぞれ対応している。
軸受:スラスト針状ころ軸受(銘番:FNTA2542)
アキシアル荷重:1.5[kN]
ラジアル荷重:0[N]
回転速度:3000[m-1]
温度:25[℃]
潤滑剤:VG32(ISO)
油量:1.0ml
比誘電率:2.3
交流電圧:0.2[V]
交流電源の周波数:1.0[MHz]
図11は、本実施形態に係る診断処理のフローチャートである。本処理は、診断装置1により実行され、例えば、診断装置1が備える制御装置(不図示)が本実施形態に係る処理を実現するためのプログラムを記憶装置(不図示)から読み出して実行することにより実現されてよい。
上記の実施形態では、ころ軸受を例に挙げて説明したが、本願発明に係る算出方法は、他の対象の測定にも適用可能である。例えば、すべり軸受や歯車などにも適用可能である。これらにおいても、図6に示すような検証結果と同等の精度にて検証を行うことが可能である。
(1) 複数のころ、前記複数のころの転動面を構成する第1および第2の部材を含んで構成される軸受装置の状態を検出する検出方法であって、
前記複数のころ、前記第1および第2の部材から構成される電気回路に交流電圧を印加し、
前記交流電圧の印加時の前記電気回路のインピーダンスおよび位相角を測定し、
前記インピーダンスおよび前記位相角に基づき、前記第1の部材と前記複数のころの間、または、前記第2の部材と前記複数のころの間の少なくとも一つにおける油膜厚さおよび金属接触割合を導出し、
前記油膜厚さおよび前記金属接触割合は、前記軸受装置内にて発生するころと、前記第1および第2の部材の少なくとも一方との間に生じる線接触により構成される電気回路に対応する算出式を用いて導出されることを特徴とする検出方法。
上記構成によれば、軸受装置内部にて発生する線接触を想定して、軸受装置内部の油膜厚さおよび部品間の接触割合の検出を高精度に行うことが可能となる。
上記構成によれば、軸受装置の構成に対応した等価回路に基づいて、軸受装置内部の油膜厚さおよび部品間の接触割合の検出を高精度に行うことが可能となる。
前記第2のコンデンサの静電容量C2は、
上記構成によれば、軸受装置の構成に対応した等価回路におけるコンデンサの静電容量を精度良く導出することが可能となる。
上記構成によれば、軸受装置内部にて発生する線接触を想定して、軸受装置内部の油膜厚さおよび部品間の接触割合の検出を高精度に行うことが可能となる。
前記油膜厚さhaおよび前記金属接触割合αを導出するための前記算出式は、
上記構成によれば、軸受装置内部にて発生する線接触を想定して、軸受装置内部の油膜厚さおよび部品間の接触割合の検出を高精度に行うことが可能となる。
上記構成によれば、軸受装置内部にて発生する線接触を想定して、軸受装置内部の油膜厚さおよび部品間の接触割合の検出を行い、その結果に基づき、軸受装置の状態診断を高精度に行うことが可能となる。
前記複数のころ、前記第1および第2の部材から構成される電気回路に交流電圧を印加させた際に得られる前記交流電圧の印加時の前記電気回路のインピーダンスおよび位相角を取得する取得手段と、
前記インピーダンスおよび前記位相角に基づき、前記第1の部材と前記複数のころの間、または、前記第2の部材と前記複数のころの間の少なくとも一つにおける油膜厚さおよび金属接触割合を導出する導出手段と、
を有し、
前記導出手段は、前記油膜厚さおよび前記金属接触割合を、前記軸受装置内にて発生するころと、前記第1および第2の部材の少なくとも一方との間に生じる線接触により構成される電気回路に対応する算出式を用いて導出することを特徴とする検出装置。
上記構成によれば、軸受装置内部にて発生する線接触を想定して、軸受装置内部の油膜厚さおよび部品間の接触割合の検出を高精度に行うことが可能となる。
軸受装置に対し、前記軸受装置を構成する複数のころ、および前記複数のころの転動面を構成する第1および第2の部材から構成される電気回路に交流電圧を印加させた際に得られる前記交流電圧の印加時の前記電気回路のインピーダンスおよび位相角を取得する取得手段、
前記インピーダンスおよび前記位相角に基づき、前記第1の部材と前記複数のころの間、または、前記第2の部材と前記複数のころの間の少なくとも一つにおける油膜厚さおよび金属接触割合を導出する導出手段、
として機能させ、
前記導出手段は、前記油膜厚さおよび前記金属接触割合を、前記軸受装置内にて発生するころと、前記第1および第2の部材の少なくとも一方との間に生じる線接触により構成される電気回路に対応する算出式を用いて導出することを特徴とするプログラム。
上記構成によれば、軸受装置内部にて発生する線接触を想定して、軸受装置内部の油膜厚さおよび部品間の接触割合の検出を高精度に行うことが可能となる。
2…軸受装置
3、4…軌道盤
5…転動体
7…回転軸
8…LCRメータ
9…回転コネクタ
10…モータ
Claims (8)
- 複数のころ、前記複数のころの転動面を構成する第1および第2の部材を含んで構成される軸受装置の状態を検出する検出方法であって、
前記複数のころ、前記第1および第2の部材から構成される電気回路に交流電圧を印加し、
前記交流電圧の印加時の前記電気回路のインピーダンスおよび位相角を測定し、
前記インピーダンスおよび前記位相角に基づき、前記第1の部材と前記複数のころの間、または、前記第2の部材と前記複数のころの間の少なくとも一つにおける油膜厚さおよび金属接触割合を導出し、
前記油膜厚さおよび前記金属接触割合は、前記軸受装置内にて発生するころと、前記第1および第2の部材の少なくとも一方との間に生じる線接触により構成される電気回路に対応する算出式を用いて導出され、
前記線接触により構成される電気回路は、前記線接触により生じる抵抗、前記線接触から所定の範囲に位置する潤滑剤により構成される第1のコンデンサ、および、前記所定の範囲外に位置する潤滑剤により構成される第2のコンデンサを含んで構成され、
前記油膜厚さh 1 および前記金属接触割合αを導出するための前記算出式は、
Z:複素インピーダンス
Z 0 :複素インピーダンス(静止時)
θ:位相角
θ 0 :位相角(静止時)
r:ころの半径
a:ころの短手方向における接触幅
l:ころ1つ当たりの接触域の数
n:ころの数
L:ころの長さ
ω:交流電圧の角周波数
ε:潤滑剤の誘電率
π:円周率
であることを特徴とする検出方法。 - 複数のころ、前記複数のころの転動面を構成する第1および第2の部材を含んで構成される軸受装置の状態を検出する検出方法であって、
前記複数のころ、前記第1および第2の部材から構成される電気回路に交流電圧を印加し、
前記交流電圧の印加時の前記電気回路のインピーダンスおよび位相角を測定し、
前記インピーダンスおよび前記位相角に基づき、前記第1の部材と前記複数のころの間、または、前記第2の部材と前記複数のころの間の少なくとも一つにおける油膜厚さおよび金属接触割合を導出し、
前記油膜厚さおよび前記金属接触割合は、前記軸受装置内にて発生するころと、前記第1および第2の部材の少なくとも一方との間に生じる線接触により構成される電気回路に対応する算出式を用いて導出され、
前記線接触により構成される電気回路は、前記線接触により生じる抵抗、前記線接触から所定の範囲に位置する潤滑剤により構成される第1のコンデンサ、および、前記所定の範囲外に位置する潤滑剤により構成される第2のコンデンサを含んで構成され、
前記油膜厚さは、前記所定の範囲内における油膜厚さであり、
前記油膜厚さh a および前記金属接触割合αを導出するための前記算出式は、
Z:複素インピーダンス
Z 0 :複素インピーダンス(静止時)
θ:位相角
θ 0 :位相角(静止時)
r:ころの半径
a:ころの短手方向における接触幅
l:ころ1つ当たりの接触域の数
n:ころの数
L:ころの長さ
ω:交流電圧の角周波数
ε:潤滑剤の誘電率
π:円周率
であることを特徴とする検出方法。 - 更に、前記油膜厚さおよび前記金属接触割合を用いて前記軸受装置を診断することを特徴とする請求項1または2に記載の検出方法。
- 複数のころ、および前記複数のころの転動面を構成する第1および第2の部材を含んで構成される軸受装置の状態を検出する検出装置であって、
前記複数のころ、前記第1および第2の部材から構成される電気回路に交流電圧を印加させた際に得られる前記交流電圧の印加時の前記電気回路のインピーダンスおよび位相角を取得する取得手段と、
前記インピーダンスおよび前記位相角に基づき、前記第1の部材と前記複数のころの間、または、前記第2の部材と前記複数のころの間の少なくとも一つにおける油膜厚さおよび金属接触割合を導出する導出手段と、
を有し、
前記導出手段は、前記油膜厚さおよび前記金属接触割合を、前記軸受装置内にて発生するころと、前記第1および第2の部材の少なくとも一方との間に生じる線接触により構成される電気回路に対応する算出式を用いて導出し、
前記線接触により構成される電気回路は、前記線接触により生じる抵抗、前記線接触から所定の範囲に位置する潤滑剤により構成される第1のコンデンサ、および、前記所定の範囲外に位置する潤滑剤により構成される第2のコンデンサを含んで構成され、
前記油膜厚さh 1 および前記金属接触割合αを導出するための前記算出式は、
Z:複素インピーダンス
Z 0 :複素インピーダンス(静止時)
θ:位相角
θ 0 :位相角(静止時)
r:ころの半径
a:ころの短手方向における接触幅
l:ころ1つ当たりの接触域の数
n:ころの数
L:ころの長さ
ω:交流電圧の角周波数
ε:潤滑剤の誘電率
π:円周率
であることを特徴とする検出装置。 - 複数のころ、および前記複数のころの転動面を構成する第1および第2の部材を含んで構成される軸受装置の状態を検出する検出装置であって、
前記複数のころ、前記第1および第2の部材から構成される電気回路に交流電圧を印加させた際に得られる前記交流電圧の印加時の前記電気回路のインピーダンスおよび位相角を取得する取得手段と、
前記インピーダンスおよび前記位相角に基づき、前記第1の部材と前記複数のころの間、または、前記第2の部材と前記複数のころの間の少なくとも一つにおける油膜厚さおよび金属接触割合を導出する導出手段と、
を有し、
前記導出手段は、前記油膜厚さおよび前記金属接触割合を、前記軸受装置内にて発生するころと、前記第1および第2の部材の少なくとも一方との間に生じる線接触により構成される電気回路に対応する算出式を用いて導出し、
前記線接触により構成される電気回路は、前記線接触により生じる抵抗、前記線接触から所定の範囲に位置する潤滑剤により構成される第1のコンデンサ、および、前記所定の範囲外に位置する潤滑剤により構成される第2のコンデンサを含んで構成され、
前記油膜厚さは、前記所定の範囲内における油膜厚さであり、
前記油膜厚さh a および前記金属接触割合αを導出するための前記算出式は、
Z:複素インピーダンス
Z 0 :複素インピーダンス(静止時)
θ:位相角
θ 0 :位相角(静止時)
r:ころの半径
a:ころの短手方向における接触幅
l:ころ1つ当たりの接触域の数
n:ころの数
L:ころの長さ
ω:交流電圧の角周波数
ε:潤滑剤の誘電率
π:円周率
であることを特徴とする検出装置。 - コンピュータを、
軸受装置に対し、前記軸受装置を構成する複数のころ、および前記複数のころの転動面を構成する第1および第2の部材から構成される電気回路に交流電圧を印加させた際に得られる前記交流電圧の印加時の前記電気回路のインピーダンスおよび位相角を取得する取得手段、
前記インピーダンスおよび前記位相角に基づき、前記第1の部材と前記複数のころの間、または、前記第2の部材と前記複数のころの間の少なくとも一つにおける油膜厚さおよび金属接触割合を導出する導出手段、
として機能させ、
前記導出手段は、前記油膜厚さおよび前記金属接触割合を、前記軸受装置内にて発生するころと、前記第1および第2の部材の少なくとも一方との間に生じる線接触により構成される電気回路に対応する算出式を用いて導出し、
前記線接触により構成される電気回路は、前記線接触により生じる抵抗、前記線接触から所定の範囲に位置する潤滑剤により構成される第1のコンデンサ、および、前記所定の範囲外に位置する潤滑剤により構成される第2のコンデンサを含んで構成され、
前記油膜厚さh 1 および前記金属接触割合αを導出するための前記算出式は、
Z:複素インピーダンス
Z 0 :複素インピーダンス(静止時)
θ:位相角
θ 0 :位相角(静止時)
r:ころの半径
a:ころの短手方向における接触幅
l:ころ1つ当たりの接触域の数
n:ころの数
L:ころの長さ
ω:交流電圧の角周波数
ε:潤滑剤の誘電率
π:円周率
であることを特徴とするプログラム。 - コンピュータを、
軸受装置に対し、前記軸受装置を構成する複数のころ、および前記複数のころの転動面を構成する第1および第2の部材から構成される電気回路に交流電圧を印加させた際に得られる前記交流電圧の印加時の前記電気回路のインピーダンスおよび位相角を取得する取得手段、
前記インピーダンスおよび前記位相角に基づき、前記第1の部材と前記複数のころの間、または、前記第2の部材と前記複数のころの間の少なくとも一つにおける油膜厚さおよび金属接触割合を導出する導出手段、
として機能させ、
前記導出手段は、前記油膜厚さおよび前記金属接触割合を、前記軸受装置内にて発生するころと、前記第1および第2の部材の少なくとも一方との間に生じる線接触により構成される電気回路に対応する算出式を用いて導出し、
前記線接触により構成される電気回路は、前記線接触により生じる抵抗、前記線接触から所定の範囲に位置する潤滑剤により構成される第1のコンデンサ、および、前記所定の範囲外に位置する潤滑剤により構成される第2のコンデンサを含んで構成され、
前記油膜厚さは、前記所定の範囲内における油膜厚さであり、
前記油膜厚さh a および前記金属接触割合αを導出するための前記算出式は、
Z:複素インピーダンス
Z 0 :複素インピーダンス(静止時)
θ:位相角
θ 0 :位相角(静止時)
r:ころの半径
a:ころの短手方向における接触幅
l:ころ1つ当たりの接触域の数
n:ころの数
L:ころの長さ
ω:交流電圧の角周波数
ε:潤滑剤の誘電率
π:円周率
であることを特徴とするプログラム。
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HONG Sung-HO et al.,"EHL Analysis of Rolling Bearings Considering the Effect of the Number of Rolling Elements and the S,KSTLE International Journal,2009年12月,Vol.10,No.1/2,pp.17-22 |
HONG SUNG-HO ET AL.: ""EHL Analysis of Rolling Bearings Considering the Effect of the Number of Rolling Elements and the S", KSTLE INTERNATIONAL JOURNAL, vol. Vol.10,No.1/2, JPN6022029444, December 2009 (2009-12-01), pages 17 - 22, ISSN: 0004882789 * |
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